1. 课程导入与无人船航行系统概览

无人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）的自主航行，本质上是在“环境不确定、船体有惯性、传感器有噪声”的条件下，持续回答三个问题：我在哪、我要去哪、我该怎么去。航路点规划负责回答“去哪”，自动航行控制负责回答“怎么去”，而定位与感知则回答“我在哪”。本课程围绕这三条主线展开，最终让读者能够独立完成从任务描述到航路点序列生成、再到控制器参数整定与实船/仿真验证的完整闭环。

一、典型任务场景决定了规划与控制的侧重点

不同任务对航路点规划的要求差异很大。水面环境监测通常要求覆盖指定区域，航路点呈现“梳状”或“螺旋”扫描形态，关注的是覆盖率与转弯半径是否满足船体操纵性；航道巡检则要求沿固定航线往返，航路点间距小、对横向跟踪精度要求高；目标搜索与救援强调快速到达疑似区域并动态重规划；而自主避障穿越则要求规划层与感知层高频交互。理解场景差异，才能判断后续章节中该用全局规划还是局部规划、该用大间距航点还是密集航点。

以水面环境监测为例，假设监测区域为 200 m × 150 m 的矩形水域，船体最小转弯半径约 8 m，扫描条带宽度 10 m。若采用平行梳状航线，条带间距取 8 m 以保证重叠，则需约 19 条测线；每条测线两端需设置减速转向航点，否则船体在高速下会冲出条带边界。这个简单估算说明：航路点不是随意打点，而是由任务参数、船体操纵性和作业精度共同决定的。

二、航路点规划与自动航行的定义与关系

航路点规划是在已知或部分已知的环境中，生成一串带顺序的期望位置点（可附带期望航向、期望速度、到达半径等属性），使无人船能够安全、经济地完成任务。自动航行则是以这些航路点为输入，通过制导律（如视线法 LOS、纯追踪 Pure Pursuit）计算期望航向，再由航向/航速控制器驱动执行机构，使船体实际轨迹收敛到期望航路。

两者的关系可以概括为“规划给目标，制导给方向，控制给动作”。规划层输出的是几何与任务约束，控制层输出的是舵角与推力。若规划层给出的航点间距过小、转角过急，控制层再优秀也无法跟踪；反之，若控制层响应迟缓，规划层就必须留出更大的转弯余量。因此本课程不会把两者割裂讲授，而是在每一阶段都强调“规划要考虑可跟踪性，控制要理解航点意图”。

三、课程整体学习路径

课程按“基础—规划—控制—集成—实战”推进。基础部分建立坐标系、运动学模型与传感器认知，明确北东地（NED）坐标系下航向角以正北为 0°、顺时针为正的约定，全文与图示保持一致。规划部分从栅格地图与 A*、Dijkstra 讲起，再进入考虑转弯半径的 Dubins 曲线与样条平滑，最后讨论动态窗口法（DWA）等局部避障方法。控制部分从 PID 航向控制入手，过渡到 LOS 制导与航速协调，并引入风浪流扰动下的鲁棒性讨论。集成部分讲解航点管理、状态机与失效保护，实战部分则完成一个可运行的仿真到实船迁移项目。

为了让学习路径可检验，每个阶段都设置了明确的“可观察结果”。例如学完规划部分，读者应能对给定区域输出一份航点表，并说明每个航点的到达半径与期望速度为何这样取；学完控制部分，应能在阶跃航向指令下观察超调量、调节时间与稳态误差，并据此调整 PID 参数。这些结果不是装饰性指标，而是判断是否真正掌握的依据。

四、实战项目介绍

贯穿课程的项目是“指定水域自主巡检与避障”。任务设定为：在约 300 m × 200 m 的湖面区域内，无人船从码头出发，沿预设巡检线采集水质数据，途中遇到浮标或临时障碍时自主绕行并回归原航线，任务结束后自主返航。项目分四个里程碑：里程碑一完成地图构建与全局航点生成；里程碑二完成 LOS 制导与 PID 航向跟踪，在仿真中实现航点切换；里程碑三加入障碍物感知与局部重规划；里程碑四进行参数整定与失效保护测试。

以里程碑二为例，一个可执行的验证方法是：设置三个航点 A(0,0)、B(50,0)、C(50,40)，单位米，期望航速 1.0 m/s，到达半径 2 m。在仿真中以 10 Hz 运行制导与控制循环，记录实际轨迹与期望航线的横向偏差。若在 B 点转弯处横向偏差持续超过 3 m，说明转弯半径预留不足或制导前视距离过小，应增大前视距离或降低该段期望航速。这样的验证过程把“参数—现象—调整”串成闭环，也是本课程希望读者形成的工程习惯。

需要强调的是，课程中出现的所有数值均为教学示例或合理假设，用于说明方法与判断逻辑，不代表任何特定船型的实测性能。读者在实际应用中应以自身船体的操纵性试验、传感器标定结果和现场水文条件为准，逐步修正模型与参数。